JP4882983B2 - Semiconductor device - Google Patents
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本発明は、半導体基板の表面にトレンチを形成し、そのトレンチの内部、またはトレンチの側壁もしくは底部の付近に電流経路を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a trench is formed on the surface of a semiconductor substrate and a current path is provided in the trench or in the vicinity of a sidewall or bottom of the trench.
半導体基板に形成されたトレンチの内部、またはトレンチの側壁もしくは底部の付近に電流経路を有する半導体装置として、トレンチ構造のMOSFET(以下、トレンチMOSFETとする)、IGBT(以下、トレンチIGBTとする)または横型トレンチパワーMISFET(以下、TLPMとする)などがある。これらの半導体デバイスにおける従来のトレンチパターンの平面形状を図38に示すが、同図において、符号11は半導体基板であり、符号12はトレンチである。図38に示すように、従来のトレンチパターンの幅はトレンチ終端13に至るまで一様である。このようなトレンチパターンを有する従来のトレンチMOSFETの断面構造を図39および図40に示す。
As a semiconductor device having a current path inside a trench formed in a semiconductor substrate or near the side wall or bottom of the trench, a trench structure MOSFET (hereinafter referred to as a trench MOSFET), IGBT (hereinafter referred to as a trench IGBT) or There is a lateral trench power MISFET (hereinafter referred to as TLPM). FIG. 38 shows a plan shape of a conventional trench pattern in these semiconductor devices. In FIG. 38,
図39は、図38の切断線M−M’におけるトレンチMOSFETの断面構造を示す図である。図39に示すように、n+型ドレイン層101上のn型ドリフト層102の表面層にp型チャネル領域103が形成されている。そのp型チャネル領域103の表面層にn型ソース領域104が形成されている。そして、ソース領域104の表面からチャネル領域103を貫通してドリフト層102に達するトレンチ100が形成されている。そのトレンチ100の内面に沿ってゲート酸化膜105が形成されており、さらにその内側は多結晶シリコンからなるゲート電極106により充填されている。ソース領域104の表面上にはソース電極108が積層されている。このソース電極108とゲート電極106とは層間絶縁膜107により絶縁されている。ドレイン層101の裏面にはドレイン電極109が設けられている。
FIG. 39 is a diagram showing a cross-sectional structure of the trench MOSFET taken along a cutting line M-M ′ in FIG. 38. As shown in FIG. 39, p-
図40は、図38の切断線L−L’におけるトレンチMOSFETの断面構造を示す図である。図40に示すように、トレンチ100の終端部110はゲート電極106の引き出し部になっている。すなわち、ゲート電極106は、この終端部110において基板表面まで引き出され、基板表面に沿ってフィールド酸化膜121上まで延長される。そして、フィールド酸化膜121上にてゲート電極106は、層間絶縁膜107に開口されたコンタクトホール122を介してゲート金属電極123に接続されている。
FIG. 40 is a diagram showing a cross-sectional structure of the trench MOSFET taken along a cutting line L-L ′ in FIG. 38. As shown in FIG. 40, the
しかしながら、トレンチ100を従来通りドライエッチングにより形成すると、トレンチ100の終端コーナー部111(図40参照)が尖るため、ここのゲート酸化膜105の厚さが他の箇所と比べて薄くなってしまう。そのため、この終端コーナー部111に電界が集中することになり、従来はデバイスの耐圧が低下することがあるという問題点があった。
However, if the
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、トレンチの終端コーナー部への電界集中を防ぎ、それによってデバイスの耐圧低下を防止することができる半導体装置、およびそのような構成の半導体装置を工程数を増やすことなく製造する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and a semiconductor device capable of preventing electric field concentration at the terminal corner portion of the trench and thereby preventing a decrease in breakdown voltage of the device, and such a configuration. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing the semiconductor device without increasing the number of steps.
上記目的を達成するため、本発明は、半導体基板に形成されたトレンチの内部、または側壁もしくは底部の付近に電流経路が設けられ、かつ前記トレンチの底面の一部もしくは全部、または前記トレンチの側壁の一部もしくは全部に沿って、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられた半導体装置において、交差する複数のトレンチのうち、最外周のトレンチの幅はその内側のトレンチの幅よりも狭いことを特徴とする。また、最外周のトレンチはその内側のトレンチよりも浅いことを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a current path is provided in a trench formed in a semiconductor substrate, in the vicinity of a sidewall or bottom, and a part or all of the bottom surface of the trench, or a sidewall of the trench. In a semiconductor device in which a gate electrode is provided through a gate insulating film along part or all of the trench, the width of the outermost trench among the intersecting trenches is narrower than the width of the inner trench It is characterized by. The outermost trench is shallower than the inner trench.
また、トレンチMOSFETトレンチIGBTまたはTLPMなどのトレンチを有する半導体装置において、トレンチ終端近傍部分を終端部に向かって細くなる先細りの平面形状とし、また終端部に向かって浅くなる形状とすることを特徴とする。この発明によれば、トレンチ終端近傍部分が終端部に向かって浅くなり、トレンチ終端コーナー部が丸くなるため、トレンチ終端コーナー部においてゲート絶縁膜やゲート電極に特異点が生じるのが抑制される。 In addition, in a semiconductor device having a trench such as a trench MOSFET trench IGBT or TLPM, the vicinity of the end of the trench has a tapered planar shape that narrows toward the end portion, and a shape that becomes shallow toward the end portion. To do. According to the present invention, the vicinity of the trench termination becomes shallow toward the termination and the trench termination corner is rounded, so that the generation of singular points in the gate termination film and the gate electrode at the trench termination corner is suppressed.
また、本発明は、上述したようにトレンチ終端近傍部分が先細り形状となっている半導体装置の、前記先細り形状の部分をゲート絶縁膜で充填したことを特徴とする。この発明によれば、トレンチ終端コーナー部においてゲート絶縁膜やゲート電極に特異点が生じるのが抑制されるとともに、トレンチ終端近傍部分が厚いゲート絶縁膜に覆われる。 In addition, the present invention is characterized in that the tapered portion of the semiconductor device in which the portion near the trench termination is tapered as described above is filled with a gate insulating film. According to the present invention, the occurrence of singular points in the gate insulating film and the gate electrode at the trench terminal corner is suppressed, and the vicinity of the trench terminal is covered with the thick gate insulating film.
また、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、トレンチ終端近傍部分に先細り形状のトレンチを形成し、そのトレンチ内にゲート絶縁膜を析出させた後、等方性エッチングをおこない、先細り形状の部分をゲート絶縁膜で充填した状態としたまま、トレンチ内のそれ以外の部分を覆うゲート絶縁膜を所望の厚さとする。この発明によれば、工程数を追加しなくても、トレンチ終端近傍部分が厚いゲート絶縁膜により覆われる。 In addition, the semiconductor device manufacturing method according to the present invention includes forming a tapered trench in the vicinity of the end of the trench, depositing a gate insulating film in the trench, performing isotropic etching, and then forming the tapered portion. The gate insulating film covering the other part in the trench is made to have a desired thickness while being filled with the gate insulating film. According to the present invention, the portion near the end of the trench is covered with the thick gate insulating film without adding the number of steps.
本発明によれば、トレンチ終端コーナー部においてゲート絶縁膜やゲート電極に特異点が生じるのが抑制されるので、トレンチ終端コーナー部への電界集中を防ぐことができ、デバイスの耐圧低下を防ぐことができる。また、工程数を増やさずにこの半導体装置を得ることができる。 According to the present invention, since the generation of singular points in the gate insulating film and the gate electrode is suppressed at the trench termination corner portion, electric field concentration at the trench termination corner portion can be prevented, and the breakdown voltage of the device can be prevented from being lowered. Can do. Further, this semiconductor device can be obtained without increasing the number of steps.
また、別の発明によれば、トレンチ終端コーナー部においてゲート絶縁膜やゲート電極に特異点が生じるのが抑制されるとともに、トレンチ終端近傍部分が厚いゲート絶縁膜に覆われるため、トレンチ終端コーナー部への電界集中をより効果的に防ぐことができるので、より一層デバイスの耐圧低下を防ぐことができる。また、このような構成の半導体装置を工程数を増やすことなく、製造することができる。 In addition, according to another invention, the occurrence of singular points in the gate insulating film and the gate electrode is suppressed in the trench terminal corner, and the trench terminal corner is covered with the thick gate insulating film, so that the trench terminal corner As a result, it is possible to more effectively prevent the concentration of the electric field on the device, so that it is possible to further prevent the breakdown voltage of the device from decreasing. In addition, the semiconductor device having such a configuration can be manufactured without increasing the number of steps.
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明にかかる半導体装置のトレンチ終端近傍部分の平面形状の第1の例を示す模式的概略図であり、図2は、図1の切断線A−A’におけるトレンチの断面形状を示す模式的概略図である。図1および図2において、符号21は半導体基板であり、符号22で示す網掛け部分はトレンチである。図1に示すように、第1の例では、トレンチ22の平面形状は、トレンチ22の終端近傍部分23の幅がそれよりも中央寄りの胴部分24の幅よりも一段階狭いボトルネック型になっている。このような平面形状のトレンチ22は、この形状に対応するパターンのマスク酸化膜を半導体基板上に形成して周知のドライエッチングをおこなうことによって形成される。形成されたトレンチ22では、図2に示すように、終端近傍部分23の方が胴部分24よりも浅くなる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic schematic view showing a first example of a planar shape of a portion near a trench termination of a semiconductor device according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional shape of a trench along a cutting line AA ′ in FIG. FIG. 1 and 2,
図37は、トレンチ幅を変えてドライエッチングにより形成したトレンチの断面を示す模式図である。同図において、符号1は半導体基板であり、符号2a,2b,2cはトレンチであり、符号3はマスク酸化膜である。図37に示すように、ドライエッチングでは、パターン上でトレンチ幅の広いトレンチ(たとえばトレンチ2a)は深くエッチングされ、パターン上でトレンチ幅の狭いトレンチ(たとえばトレンチ2c)は浅くエッチングされる。したがって、図1および図2に示すように、トレンチ幅の狭い終端近傍部分23はドライエッチングによって浅くなる。
FIG. 37 is a schematic diagram showing a cross section of a trench formed by dry etching while changing the trench width. In the figure,
なお、トレンチエッチング条件は、たとえばICP(Inductive Coupled Plasma)型トレンチエッチャを用い、HBrガス、SF6ガスおよびO2ガスの流量をそれぞれ40sccm、42sccmおよび45sccmとし、ソースパワーを800W、バイアスパワーを120W、圧力を25mTorrとした。 The trench etching conditions are, for example, an ICP (Inductive Coupled Plasma) type trench etcher, the flow rates of HBr gas, SF6 gas and O2 gas are 40 sccm, 42 sccm and 45 sccm, respectively, the source power is 800 W, the bias power is 120 W, The pressure was 25 mTorr.
図3は、本発明にかかる半導体装置のトレンチ終端近傍部分の平面形状の第2の例を示す模式的概略図であり、図4は、図3の切断線D−D’におけるトレンチの断面形状を示す模式的概略図である。図3および図4において、符号31は半導体基板であり、符号32で示す網掛け部分はトレンチである。図3に示すように、第2の例では、トレンチ32の平面形状は、トレンチ32の終端近傍部分33が胴部分34から滑らかに狭くなる舟型になっている。このような平面形状のトレンチ32は、この形状に対応するパターンのマスク酸化膜を半導体基板上に形成して周知のドライエッチングをおこなうことによって形成される。形成されたトレンチ32では、図4に示すように、終端近傍部分33が胴部分34からなだらかに浅くなる。
FIG. 3 is a schematic schematic view showing a second example of the planar shape of the vicinity of the trench termination of the semiconductor device according to the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional shape of the trench along the cutting line DD ′ of FIG. FIG. 3 and 4,
図5は、本発明にかかる半導体装置のトレンチ終端近傍部分の平面形状の第3の例を示す模式的概略図であり、図6は、図5の切断線F−F’におけるトレンチの断面形状を示す模式的概略図である。図5および図6において、符号41は半導体基板であり、符号42で示す網掛け部分はトレンチである。図5に示すように、第3の例では、トレンチ42の平面形状は、上述した第1の例のボトルネック型と第2の例の舟型とを組み合わせた形状、すなわち終端近傍部分43が、胴部分44から滑らかに狭くなる中間部分45を経て胴部分44の幅よりも一段階狭い部分46に至る形状となっている。この一段階狭い部分46も舟型の形状となっている。このような平面形状のトレンチ42は、この形状に対応するパターンのマスク酸化膜を半導体基板上に形成して周知のドライエッチングをおこなうことによって形成される。形成されたトレンチ42では、図6に示すように、終端近傍部分43が胴部分44からなだらかに浅くなる。
FIG. 5 is a schematic schematic view showing a third example of the planar shape of the vicinity of the trench termination of the semiconductor device according to the present invention, and FIG. 6 is a cross-sectional shape of the trench along the cutting line FF ′ of FIG. FIG. 5 and 6,
図7は、本発明にかかる半導体装置のトレンチ終端近傍部分の平面形状の第4の例を示す模式的概略図であり、図8は、図7の切断線H−H’におけるトレンチの断面形状を示す模式的概略図である。図7および図8において、符号51は半導体基板であり、符号52で示す網掛け部分はトレンチである。図7に示すように、第4の例では、トレンチ52の平面形状は、トレンチ52の終端近傍部分53において、胴部分54よりも一段階狭い中間部分55を経てさらにその中間部分55よりも一段階狭い部分56に至る形状となっている。つまり、終端近傍部分53は胴部分54よりも二段階狭い形状となっている。このような平面形状のトレンチ52は、この形状に対応するパターンのマスク酸化膜を半導体基板上に形成して周知のドライエッチングをおこなうことによって形成される。形成されたトレンチ52では、図8に示すように、終端近傍部分53が胴部分54よりも段階的に浅くなる。なお、終端近傍部分53が三段階以上の段数で狭くなっていてもよい。
FIG. 7 is a schematic schematic view showing a fourth example of the planar shape of the vicinity of the trench termination of the semiconductor device according to the present invention, and FIG. 8 is a cross-sectional shape of the trench along the cutting line HH ′ of FIG. FIG. 7 and 8,
図9は、本発明にかかる半導体装置のトレンチ終端近傍部分の平面形状の第5の例を示す模式的概略図であり、図10は、図9の切断線J−J’におけるトレンチの断面形状を示す模式的概略図である。図9および図10において、符号61は半導体基板であり、符号62,63,64で示す網掛け部分はトレンチである。図9に示すように、第5の例では、複数のトレンチ62,63がたとえば格子状に配置された構造において、最外周のトレンチ64の幅がその他のトレンチ62,63よりも狭くなっている。このような平面形状のトレンチ62,63,64は、この形状に対応するパターンのマスク酸化膜を半導体基板上に形成して周知のドライエッチングをおこなうことによって形成される。形成されたトレンチ62,63,64では、図10に示すように、最外周のトレンチ64がその内側のトレンチ62,63よりも浅くなるため、トレンチ62,63の終端近傍部分(すなわち最外周のトレンチ64)はそれよりも中央寄りの胴部分よりも浅くなる。
FIG. 9 is a schematic schematic view showing a fifth example of the planar shape of the vicinity of the trench termination of the semiconductor device according to the present invention, and FIG. 10 is a cross-sectional shape of the trench along the cutting line JJ ′ of FIG. FIG. 9 and 10,
この第5の例において、最外周のトレンチの幅が最も狭くなっていれば、その他のトレンチの幅は同一である必要はない。つまり、たとえば図11に示すように、最外周のトレンチ64の内側で横方向に伸びるトレンチ65の幅と縦方向に伸びるトレンチ66の幅が異なっていても、最外周のトレンチ64の幅が最も狭くなっていれば、ドライエッチングによって最外周のトレンチ64がもっとも浅くなる。したがって、これら縦横に伸びるトレンチ65,66の終端近傍部分(すなわち最外周のトレンチ64)はそれよりも中央寄りの胴部分よりも浅くなる。また、たとえば図12に示すように、最外周のトレンチ64の幅が最も狭くなっていれば、その内側にあるトレンチ67,68,69のパターンは格子状に限らず、アミダ状など、格子以外の交差パターンでもよい。
In the fifth example, if the width of the outermost trench is the narrowest, the widths of the other trenches need not be the same. That is, for example, as shown in FIG. 11, even if the width of the
つぎに、図1および図2に示す第1の例のトレンチを適用した半導体装置の仕上がり構造について説明する。まず、トレンチMOSFETの構造の一例について説明する。図13は、図1の切断線B−B’におけるトレンチMOSFETの断面構造を示す部分断面図である。切断線B−B’におけるデバイス断面構造は、図39に示す従来構造と同様であるため、重複する説明を省略する。ただし、図13に示すトレンチMOSFETにおいて、符号200はトレンチ、符号201はn+型ドレイン層、符号202はn型ドリフト層、符号203はp型チャネル領域、符号204はn型ソース領域、符号205はゲート絶縁膜であるゲート酸化膜、符号206はゲート電極、符号207は層間絶縁膜、符号208はソース電極、符号209はドレイン電極である。
Next, a finished structure of the semiconductor device to which the trench of the first example shown in FIGS. 1 and 2 is applied will be described. First, an example of the structure of the trench MOSFET will be described. FIG. 13 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the trench MOSFET along the cutting line B-B ′ of FIG. 1. The device cross-sectional structure along the cutting line B-B ′ is the same as the conventional structure shown in FIG. However, in the trench MOSFET shown in FIG. 13,
図14は、図1の切断線A−A’におけるトレンチMOSFETの断面構造を示す部分断面図である。図14に示すように、ゲート電極206は、トレンチ200の終端部210において基板表面に引き出され、基板表面に沿ってフィールド酸化膜221上まで延長され、そこで層間絶縁膜207に開口されたコンタクトホール222を介してゲート金属電極223に接続されている。ここで、トレンチ200の終端近傍部分が先細り形状となっている(図1参照)ことにより、トレンチ200は終端部近傍部分で浅くなる。さらに、トレンチ幅の狭い部分ではエッチングガスの滞留が減少するため、トレンチ200の終端コーナー部211が丸まり、この終端コーナー部211への電界集中が緩和されるか、あるいは電界集中がなくなる。それによって、この終端コーナー部211での耐圧低下が防止される。
FIG. 14 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the trench MOSFET taken along section line A-A ′ of FIG. 1. As shown in FIG. 14, the
また、トレンチ200の終端コーナー部211が浅い位置にあるため、終端コーナー部211がp型領域(p型チャネル領域203)中に埋まり、より一層耐圧を保つことができる。なお、図示省略するが、トレンチの終端コーナー部がp型領域中に埋まっていない構成であっても、終端コーナー部が尖らないため、十分に耐圧低下を防ぐことができる。また、図示および説明を省略するが、第2〜第5の例のトレンチを適用した場合も同様である。
Further, since the
つぎに、図1および図2に示す第1の例のトレンチを適用したトレンチIGBTの構造の一例について説明する。図15は、図1の切断線B−B’におけるトレンチIGBTの断面構造を示す部分断面図である。図15に示すように、p+型コレクタ層301上のn型ドリフト層302の表面層にp型チャネル領域303が形成されている。そのp型チャネル領域303の表面層にn型エミッタ領域304が選択的に形成されている。そして、エミッタ領域304の表面からチャネル領域303を貫通してドリフト層302に達するトレンチ300が形成されている。そのトレンチ300の内面に沿ってゲート絶縁膜であるゲート酸化膜305が形成されており、さらにその内側は多結晶シリコンからなるゲート電極306により充填されている。エミッタ領域304の表面上にはエミッタ電極308が積層されている。このエミッタ電極308とゲート電極306とは層間絶縁膜307により絶縁されている。コレクタ層301の裏面にはコレクタ電極309が設けられている。
Next, an example of the structure of a trench IGBT to which the trench of the first example shown in FIGS. 1 and 2 is applied will be described. FIG. 15 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the trench IGBT along the cutting line B-B ′ of FIG. 1. As shown in FIG. 15, a p-
図16は、図1の切断線A−A’におけるトレンチIGBTの断面構造を示す部分断面図である。図16に示すように、ゲート電極306は、トレンチ300の終端部310において基板表面に引き出され、基板表面に沿ってフィールド酸化膜321上まで延長され、そこで層間絶縁膜307に開口されたコンタクトホール322を介してゲート金属電極323に接続されている。ここで、トレンチ300は、その終端近傍部分が先細り形状となっている(図1参照)ため、終端部近傍部分で浅くなり、さらにエッチングガスの滞留の減少により終端コーナー部311が丸くなる。これによって、この終端コーナー部311への電界集中が緩和されるか、あるいは電界集中がなくなり、終端コーナー部311での耐圧低下が防止される。
FIG. 16 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of trench IGBT taken along section line A-A ′ of FIG. 1. As shown in FIG. 16, the
また、トレンチ300の終端コーナー部311がp型領域(p型チャネル領域303)中に埋まるため、より一層耐圧を保つことができる。なお、図示省略するが、トレンチの終端コーナー部がp型領域中に埋まっていない構成であっても、終端コーナー部が尖らないため、十分に耐圧低下を防ぐことができる。また、図示および説明を省略するが、第2〜第5の例のトレンチを適用した場合も同様である。
Further, since the
つぎに、図1および図2に示す第1の例のトレンチを適用したTLPMの構造の一例について説明する。図17は、図1の切断線B−B’におけるTLPMの断面構造を示す部分断面図である。図17に示すように、p-型半導体基板401の表面からトレンチ400が形成されている。そのトレンチ400の側方および下方には、それぞれn型拡張ドレイン402およびp型ベース領域403が形成されている。また、トレンチ400の側壁に沿ってゲート絶縁膜であるゲート酸化膜405が形成されいる。ゲート酸化膜405に沿ってその内側には多結晶シリコンからなるゲート電極406が形成されている。ゲート電極406の内側には第1の絶縁膜407を介してソース電極408が設けられている。このソース電極408は、トレンチ400の底部において、ベース領域403内に形成されたn+型ソース領域404に接続されている。ドレイン電極409は、拡張ドレイン402の表面を覆う第2の絶縁膜431およびその上まで伸びる第1の絶縁膜407を貫通して拡張ドレイン402に接続されている。
Next, an example of the structure of the TLPM to which the trench of the first example shown in FIGS. 1 and 2 is applied will be described. FIG. 17 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the TLPM along the cutting line B-B ′ in FIG. 1. As shown in FIG. 17,
図18は、図1の切断線A−A’におけるTLPMの断面構造を示す部分断面図である。図18に示すように、ゲート電極406は、トレンチ400の終端部410において基板表面に引き出され、第2の絶縁膜431上でゲート金属電極423に接続されている。ここで、トレンチ400は、その終端近傍部分が先細り形状となっている(図1参照)ため、終端部近傍部分で浅くなり、エッチングガスの滞留の減少により終端コーナー部411が丸くなる。これによって、この終端コーナー部411への電界集中が緩和されるか、あるいは電界集中がなくなり、終端コーナー部411での耐圧低下が防止される。なお、図示および説明を省略するが、第2〜第5の例のトレンチを適用した場合も同様である。
18 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the TLPM along the cutting line A-A ′ in FIG. 1. As shown in FIG. 18, the
つぎに、図1および図2に示す第1の例のトレンチを適用した2段TLPMの構造の一例について説明する。図19は、図1の切断線B−B’における2段TLPMの断面構造を示す部分断面図である。図19に示すように、p-型半導体基板501の表面から1段目トレンチ500が形成されている。その1段目トレンチ500の周囲にはn型拡張ドレイン502が形成されている。また、1段目トレンチ500の内側には絶縁膜531が設けられている。この絶縁膜531および拡張ドレイン502を貫通して2段目トレンチ530が形成されている。この2段目トレンチ530の下方にはp型ベース領域503が形成されている。
Next, an example of the structure of the two-stage TLPM to which the trench of the first example shown in FIGS. 1 and 2 is applied will be described. FIG. 19 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the two-stage TLPM along the cutting line B-B ′ of FIG. 1. As shown in FIG. 19, a first-
2段目トレンチ530の側壁に沿ってゲート絶縁膜であるゲート酸化膜505が形成されいる。ゲート酸化膜505に沿ってその内側には多結晶シリコンからなるゲート電極506が形成されている。ゲート電極506の内側には絶縁膜507を介してソース電極508が設けられている。このソース電極508は、2段目トレンチ530の底部において、ベース領域503内に形成されたn+型ソース領域504に接続されている。ドレイン電極509は、ゲート電極506とソース電極508との間から拡張ドレイン502の表面上まで伸びる絶縁膜507を貫通して拡張ドレイン502に接続されている。
A
図20は、図1の切断線A−A’における2段TLPMの断面構造を示す部分断面図である。図20に示すように、ゲート電極506は、トレンチ500,530の終端部510において基板表面に引き出され、絶縁膜531上でゲート金属電極523に接続されている。ここで、トレンチ500,530は、その終端近傍部分が先細り形状となっている(図1参照)ため、終端部近傍部分で浅くなり、エッチングガスの滞留の減少により終端コーナー部511が丸くなる。これによって、この終端コーナー部511への電界集中が緩和されるか、あるいは電界集中がなくなり、終端コーナー部511での耐圧低下が防止される。なお、図示および説明を省略するが、第2〜第5の例のトレンチを適用した場合も同様である。
20 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the two-stage TLPM along the cutting line A-A ′ of FIG. 1. As shown in FIG. 20, the
上述した実施の形態1によれば、トレンチ終端近傍部分が終端部に向かって浅くなり、トレンチ終端コーナー部が尖らずに丸くなるため、トレンチ終端コーナー部においてゲート絶縁膜やゲート電極に特異点が生じるのが抑制される。したがって、トレンチ終端コーナー部への電界集中を防ぐことができ、デバイスの耐圧低下を防ぐことができる。また、この半導体装置を製造するにあたっては、トレンチ終端近傍部分においてトレンチが細くなるようなパターンのマスクを用いてトレンチエッチングをおこなえばよいので、工程数を増やすことなく、トレンチ終端コーナー部にゲート絶縁膜やゲート電極の特異点のない半導体装置が得られる。 According to the first embodiment described above, the vicinity of the trench termination becomes shallow toward the termination, and the trench termination corner is rounded without being sharpened. Therefore, there is a singular point in the gate insulation film or the gate electrode at the trench termination corner. It is suppressed from occurring. Therefore, it is possible to prevent electric field concentration at the trench terminal corner, and to prevent a breakdown voltage of the device from decreasing. Further, when manufacturing this semiconductor device, it is only necessary to perform trench etching using a mask having a pattern that makes the trench narrow in the vicinity of the end of the trench. Therefore, without increasing the number of steps, gate insulation is performed at the trench end corner. A semiconductor device without a singular point of a film or a gate electrode is obtained.
実施の形態2.
実施の形態1ではトレンチ内のゲート絶縁膜の厚さは均一であったが、実施の形態2は、トレンチ終端近傍部分の先細り形状の部分において、トレンチ内のそれ以外の部分よりもゲート絶縁膜を厚くしたものである。たとえば、実施の形態1で説明したようにして図1および図2に示す形状のトレンチ22を形成した後、図21に示すように、トレンチ終端近傍部分23の先細り形状の部分が絶縁膜で埋まるように、絶縁膜27を成膜する。そして、図22に示すように、等方性エッチングをおこない、トレンチ22内の、トレンチ終端近傍部分23以外の部分、すなわち胴部分24の絶縁膜27を所望の厚さのゲート絶縁膜28とする。その際、トレンチ終端近傍部分23に充填された絶縁膜27は除去されずゲート絶縁膜29として残る。つまり、トレンチ終端近傍部分23は、胴部分24のゲート絶縁膜28よりも厚いゲート絶縁膜29で覆われる。
In the first embodiment, the thickness of the gate insulating film in the trench is uniform. In the second embodiment, however, the gate insulating film is thinner in the tapered portion near the end of the trench than in the other portions in the trench. Is thickened. For example, after forming the
図23〜図26に、具体的なトレンチ終端構造の断面図と寸法を示す。図23には、図1の切断線B−B’におけるトレンチ形状に沿って絶縁膜27を成膜した状態が示されており、図21のトレンチ胴部分における断面構造が示されている。図24には、その成膜した絶縁膜27を等方性エッチングにより所望の厚さのゲート絶縁膜28とした状態が示されており、図22のトレンチ胴部分における断面構造が示されている。また、図25には、図1の切断線C−C’におけるトレンチ形状に沿って絶縁膜27を成膜した状態が示されており、図21のトレンチ終端近傍部分における断面構造が示されている。図26には、等方性エッチング後のトレンチ内にゲート絶縁膜29が残った状態が示されており、図22のトレンチ終端近傍部分における断面構造が示されている。
23 to 26 show sectional views and dimensions of specific trench termination structures. FIG. 23 shows a state where the insulating
図3および図4に示す第2の例においても同様である。第2の例の場合には、実施の形態1で説明したようにして図3および図4に示す形状のトレンチ32を形成した後、図27に示すように、トレンチ終端近傍部分33の先細り形状の部分が絶縁膜で埋まるように、絶縁膜37を成膜する。そして、図28に示すように、等方性エッチングをおこない、トレンチ終端近傍部分33に充填された絶縁膜37を厚いゲート絶縁膜39として残すとともに、胴部分34の絶縁膜37を所望の厚さのゲート絶縁膜38とする。それによって、トレンチ終端近傍部分33は、胴部分34のゲート絶縁膜38よりも厚いゲート絶縁膜39で覆われる。
The same applies to the second example shown in FIGS. In the case of the second example, after the
また、図5および図6に示す第3の例においても同様である。第3の例の場合には、実施の形態1で説明したようにして図5および図6に示す形状のトレンチ42を形成した後、図29に示すように、トレンチ終端近傍部分43の先細り形状の部分が絶縁膜で埋まるように、絶縁膜47を成膜する。そして、図30に示すように、トレンチ42の胴部分44の絶縁膜47が所望の厚さのゲート絶縁膜48となるように、等方性エッチングをおこなう。トレンチ終端近傍部分43に充填された絶縁膜47は厚いゲート絶縁膜49として残る。つまり、トレンチ終端近傍部分43は、胴部分44のゲート絶縁膜48よりも厚いゲート絶縁膜49で覆われる。
The same applies to the third example shown in FIGS. 5 and 6. In the case of the third example, after the
また、図7および図8に示す第4の例においても同様である。第4の例の場合には、実施の形態1で説明したようにして図7および図8に示す形状のトレンチ52を形成した後、図31に示すように、トレンチ終端近傍部分53の先細り形状の部分の大部分が絶縁膜で埋まるように、絶縁膜57を成膜する。そして、図32に示すように、等方性エッチングをおこない、胴部分54の絶縁膜57を所望の厚さのゲート絶縁膜58とし、トレンチ終端近傍部分53に充填された絶縁膜57を残して厚いゲート絶縁膜59とする。それによって、トレンチ終端近傍部分53は、胴部分54のゲート絶縁膜58よりも厚いゲート絶縁膜59で覆われる。
The same applies to the fourth example shown in FIGS. In the case of the fourth example, after the
つぎに、上述したようにトレンチ終端近傍部分のゲート絶縁膜が厚くなっている半導体装置の仕上がり構造について説明する。まず、トレンチMOSFETの構造の一例について説明する。図33は、図1の切断線A−A’におけるトレンチMOSFETの断面構造を示す部分断面図である。図33に示すように、ゲート絶縁膜であるゲート酸化膜205はトレンチ終端近傍部分で厚くなっている。符号241はゲート酸化膜205の厚い部分である。このようにトレンチ終端近傍部分が厚いゲート酸化膜241に覆われることによって、トレンチ終端コーナー部211への電界集中をより効果的に防ぐことができるので、より一層デバイスの耐圧低下を防ぐことができる。その他の構成は図14に示すトレンチMOSFETと同様であるので、図14に示す構成と同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。
Next, the finished structure of the semiconductor device in which the gate insulating film near the end of the trench is thick as described above will be described. First, an example of the structure of the trench MOSFET will be described. FIG. 33 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the trench MOSFET taken along section line A-A ′ of FIG. 1. As shown in FIG. 33, the
上述したようにトレンチ終端近傍部分を厚いゲート酸化膜241で覆うためにはつぎのような工程をおこなう。まず、トレンチ200を形成したら、トレンチポリマー除去とダメージ除去をおこなう。そして、犠牲酸化をおこなった後、HF溶液により酸化膜を除去する。ついで、酸化膜の成膜および等方性エッチングをおこなう。等方性エッチングの効果により、トレンチ200の胴部分には薄いゲート酸化膜205が形成され、一方、トレンチ終端部分には厚いゲート酸化膜241が形成される。ついで、ゲート電極206を形成し、それを覆うように層間絶縁膜207を形成し、ソース電極208を形成する。また、ドレイン電極209を形成する。なお、ここで説明した工程はトレンチMOSFETの製造工程の一部である。また、図示および説明を省略するが、図3、図5または図7に示す構成のトレンチを適用した場合も同様である。
As described above, in order to cover the vicinity of the trench end with the thick
つぎに、トレンチIGBTの構造の一例について説明する。図34は、図1の切断線A−A’におけるトレンチIGBTの断面構造を示す部分断面図である。図34に示すように、ゲート絶縁膜であるゲート酸化膜305はトレンチ終端近傍部分で厚くなっている。符号341はゲート酸化膜305の厚い部分である。このようにトレンチ終端近傍部分が厚いゲート酸化膜341に覆われることによって、トレンチ終端コーナー部311への電界集中をより効果的に防ぐことができるので、より一層デバイスの耐圧低下を防ぐことができる。その他の構成は図16に示すトレンチIGBTと同様であるので、図16に示す構成と同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。なお、図示および説明を省略するが、図3、図5または図7に示す構成のトレンチを適用した場合も同様である。
Next, an example of the structure of the trench IGBT will be described. 34 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of trench IGBT taken along section line A-A ′ of FIG. 1. As shown in FIG. 34, the
つぎに、TLPMの構造の一例について説明する。図35は、図1の切断線A−A’におけるTLPMの断面構造を示す部分断面図である。図35に示すように、ゲート絶縁膜であるゲート酸化膜405はトレンチ終端近傍部分で厚くなっている。符号441はゲート酸化膜405の厚い部分である。このようにトレンチ終端近傍部分が厚いゲート酸化膜441に覆われることによって、トレンチ終端コーナー部411への電界集中をより効果的に防ぐことができるので、より一層デバイスの耐圧低下を防ぐことができる。その他の構成は図18に示すTLPMと同様であるので、図18に示す構成と同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。なお、図示および説明を省略するが、図3、図5または図7に示す構成のトレンチを適用した場合も同様である。
Next, an example of the structure of TLPM will be described. FIG. 35 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the TLPM along the cutting line A-A ′ in FIG. 1. As shown in FIG. 35, the
つぎに、2段TLPMの構造の一例について説明する。図36は、図1の切断線A−A’における2段TLPMの断面構造を示す部分断面図である。図36に示すように、ゲート絶縁膜であるゲート酸化膜505はトレンチ終端近傍部分で厚くなっている。符号541はゲート酸化膜505の厚い部分である。このようにトレンチ終端近傍部分が厚いゲート酸化膜541に覆われることによって、トレンチ終端コーナー部511への電界集中をより効果的に防ぐことができるので、より一層デバイスの耐圧低下を防ぐことができる。その他の構成は図20に示す2段TLPMと同様であるので、図20に示す構成と同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。なお、図示および説明を省略するが、図3、図5または図7に示す構成のトレンチを適用した場合も同様である。
Next, an example of the structure of the two-stage TLPM will be described. FIG. 36 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the two-stage TLPM along the cutting line A-A ′ of FIG. 1. As shown in FIG. 36, the
上述した実施の形態2によれば、実施の形態1と同様にトレンチ終端コーナー部においてゲート絶縁膜やゲート電極に特異点が生じるのが抑制されるのに加えて、さらにトレンチ終端近傍部分が厚いゲート絶縁膜に覆われるため、トレンチ終端コーナー部への電界集中をより効果的に防ぐことができる。したがって、より一層デバイスの耐圧低下を防ぐことができる。また、このような構成の半導体装置を工程数を増やすことなく、製造することができる。 According to the second embodiment described above, in addition to the suppression of the occurrence of singular points in the gate insulating film and the gate electrode at the trench termination corner as in the first embodiment, the portion near the trench termination is thicker. Since it is covered with the gate insulating film, it is possible to more effectively prevent electric field concentration at the trench terminal corner. Therefore, it is possible to further prevent the breakdown voltage of the device from decreasing. In addition, the semiconductor device having such a configuration can be manufactured without increasing the number of steps.
以上において本発明は種々変更可能である。たとえば、ゲート絶縁膜は酸化膜に限らず、電気的絶縁膜、または高抵抗膜としての機能を果たす膜であってもよい。また、シリコン半導体よりなる装置に限らず、SiCなどの化合物半導体よりなる装置にも適用可能である。また、IEGT(Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor)や絶縁ゲートサイリスタやIPM(Intelligent Power Module)など、他のトレンチ型MOS半導体装置にも適用可能である。 In the above, the present invention can be variously changed. For example, the gate insulating film is not limited to an oxide film, but may be an electrical insulating film or a film that functions as a high resistance film. Further, the present invention is not limited to a device made of a silicon semiconductor, but can be applied to a device made of a compound semiconductor such as SiC. Further, the present invention can also be applied to other trench type MOS semiconductor devices such as IEGT (Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor), insulated gate thyristor, and IPM (Intelligent Power Module).
21,31,41,51,61 半導体基板
22,32,42,52,62,63,65〜69,100,200,300,400,500 トレンチ
23,33,43,53 トレンチの終端近傍部分
28,29,38,39,48,49,58,59,205,305,405,505 ゲート絶縁膜(ゲート酸化膜)
64 最外周のトレンチ
206,306,406,506 ゲート電極
21, 31, 41, 51, 61
64
Claims (1)
交差する複数のトレンチの端部同士を接続するように設けられたトレンチ(以下「最外周トレンチ」という)はその内側のトレンチよりも浅く、かつ、前記最外周トレンチの幅はその内側のトレンチの幅よりも狭いことを特徴とする半導体装置。 A current path is provided in the trench formed in the semiconductor substrate or in the vicinity of the side wall or bottom, and gate insulation is provided along part or all of the bottom surface of the trench or part or all of the side wall of the trench. In a semiconductor device provided with a gate electrode through a film,
A trench provided to connect ends of a plurality of intersecting trenches (hereinafter referred to as “outermost trench”) is shallower than an inner trench, and the width of the outermost trench is equal to that of the inner trench. A semiconductor device characterized by being narrower than the width.
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